Neurologia

Neurologia: le malattie neurodegenerative

Introduzione alle malattie neurodegenerative

Le malattie neurodegenerative sono state definite in passato come delle patologie caratterizzate dalla morte neuronale con coinvolgimento selettivo di sistemi anatomo-funzionali distintivi, determinanti per la presentazione clinica. Ne sono esempio la sclerosi laterale amiotrofica (SLA), in cui sono colpiti i motoneuroni, la malattia di Pick, in cui è colpita la corteccia fronto-temporale, e la malattia di Parkinson, in cui è colpito il sistema dopaminergico nigro-striatale. Inoltre, dal punto di vista eziopatogenetico, era necessario sottolineare l’assenza di un’eziologia nota vascolare (ischemica o emorragica), metabolica o infiammatoria (infettiva o autoimmune) con proliferazione della componente gliale.

Attualmente, si ritiene che le malattie neurodegenerative condividano uno stesso meccanismo eziopatogenetico in quanto sono considerate delle patologie da alterata conformazione proteica (protein misfolding disorders), caratterizzate dalla formazione e dalla deposizione tissutale di aggregati proteici in forma oligomerica o polimerica fibrillare ("protein deposition diseases") che si assomigliano tra di loro pur essendo formati da proteine diverse. In particolare, tutte le malattie neurodegenerative si associano alla conversione di peptidi costitutivi dal loro stato monomerico solubile in aggregati fibrillari ben organizzati, ordinati, poco solubili e meno attivi dal punto di vista funzionale, che sono caratterizzati da un’estensiva struttura secondaria β-sheet.

Il processo di folding proteico

In condizioni fisiologiche, le proteine sintetizzate nei ribosomi come catene lineari di amminoacidi devono assumere una struttura tridimensionale distintiva per espletare la loro funzione fisiologica. Durante il processo di folding proteico, una catena proteica ricerca lo stato energetico più basso (e quindi più stabile) attraverso un processo di tentativi ed errori che passa attraverso la ricerca stocastica delle tante conformazioni accessibili a una particolare sequenza amminoacidica. In particolare, per raggiungere la conformazione corretta, la struttura nativa passa attraverso uno o più stati conformazionali transizionali.

È possibile che, durante questo processo, possano formarsi delle molecole misfolded che favoriscono l’aggregazione patologica a causa di meccanismi para-fisiologici, ma esiste un sistema di controllo qualità delle proteine noto come Protein Quality Control (PQC) o network cellulare di proteostasi, che svolge un ruolo fondamentale nell’assicurazione di un folding efficiente e nella prevenzione dell’aggregazione patologica. Tale sistema è costituito dalle chaperoni che aiutano le proteine nel processo di folding, proteggono le proteine dalle interazioni aberranti durante il processo di folding e linearizzano le proteine con conformazione aberrante prima della loro degradazione, che è permessa dal sistema del proteasoma e dai lisosomi.

N.B. La possibilità di errore nel folding proteico è intrinseca al processo in quanto le proteine espongono un numero maggiore di residui idrofobici e quindi hanno maggiori possibilità di aggregarsi formando dei composti potenzialmente tossici.

Cause di misfolding e patogenesi

Quindi, è possibile affermare che gli elementi essenziali per un corretto folding proteico sono:

• La sequenza amminoacidica, in quanto delle mutazioni nei singoli geni possono alterare la sequenza proteica oppure la duplicazione di un gene può generare un aumento della quantità di proteina prodotta.
• Il corretto ambiente cellulare per quanto riguarda la temperatura, la pressione ed il pH.
• La presenza di un efficiente sistema di Protein Quality Control ed un perfetto equilibrio tra i vari stati di folding delle proteine.

Le principali cause di "misfolding" e di aggregazione delle proteine sono:

• Mutazioni genetiche che conducono a sostituzioni, a delezioni, all’aggiunta di amminoacidi alla proteina oppure ad un aumento della produzione della proteina.
• Modifiche post-traduzionali accidentali della proteina (come ad esempio la fosforilazione).
• Modifiche delle condizioni ambientali della cellula che conducono a delle interazioni aberranti con altre proteine e/o alla disfunzione o al sovraccarico del sistema Protein Quality Control.

A seconda dell’evento è possibile riconoscere una patogenesi "loss-of-function" in cui la proteina misfolded è degradata prematuramente dal sistema Protein Quality Control determinando una malattia da deficiente funzione (protein deficiency disease) che presenta una minore importanza in quanto i modelli murini knockout per le proteine in questione non sono caratterizzati da gravi conseguenze. Oppure è possibile riconoscere una patogenesi "gain-of-function" in cui la proteina misfolded non è eliminata e si accumula causando tossicità, disfunzione o morte cellulare tramite l’inibizione del proteasoma, il sequestro degli chaperoni, dei fattori cellulari e dei fattori di trascrizione, l’induzione dello stress ossidativo e della disfunzione mitocondriale, la formazione di pori fibrillari ed il sovraccarico di calcio e di glutammato.

N.B. Alcune malattie neurodegenerative presentano entrambi i meccanismi patogenetici.

Tipologie di malattie da misfolding proteico

Le malattie da misfolding proteico possono essere:

• Familiari o genetiche quando la malattia è dovuta alla mutazione di un gene ed è ereditata all’interno di una famiglia (ne sono esempio la malattia di Huntington ed alcuni casi di malattia di Alzheimer e di malattia di Parkinson).
• Sporadiche o idiopatiche quando non sono associate a mutazioni monogeniche ma presentano una base predisponente poligenica (ne sono esempio la maggior parte dei casi di malattia di Alzheimer e di malattia di Parkinson).
• Trasmissibili o infettive quando possono essere acquisite per trasmissione ambientale (ne sono esempio le malattie da prioni).

Il principale gruppo di malattie da misfolding proteico è rappresentato dalle amiloidosi, che sono delle patologie caratterizzate dalla formazione, deposizione e accumulo di aggregati fibrillari insolubili altamente regolari chiamate "fibrille amiloidi"; tali fibrille sono caratterizzate da una struttura quaternaria cross-β dovuta all’interazione di due porzioni β-sheet che si interfacciano fra loro e che si dispongono perpendicolarmente rispetto all’asse della fibrilla e da specifiche proprietà tintoriali legate alla particolare struttura. Infatti, la sostanza amiloide può essere messa in evidenza attraverso la colorazione con Rosso Congo e se posta alla luce polarizzata è possibile apprezzare una birifrangenza verde mela (cambiamento di colorazione da rosso a verde mela).

Le colorazioni istologiche non sono osservabili in tutte le patologie da accumulo amiloide, quindi sono nate due diverse definizioni di sostanza amiloide: la definizione classica-istopatologica di amiloide prevede la presenza di un deposito proteico extracellulare con struttura "cross β-sheet" identificabile per la sua birifrangenza verde mela quando colorata con Rosso Congo e visualizzata sotto luce polarizzata, mentre la definizione biofisica più recente ed ampia include qualsiasi peptide che polimerizza formando una struttura "cross-β" in vivo o in vitro indipendentemente dal fenomeno della birifrangenza che a volte non è visibile o riscontrabile.

Le amiloidosi possono essere delle malattie sistemiche quando gli aggregati proteici si localizzano in tutto l’organismo (come l’amiloidosi da catene leggere, da amiloide A o dal lisozima) oppure delle malattie organo-specifiche quando gli aggregati si accumulano in un determinato organo (nella malattia di Alzheimer, nell’encefalopatia spongiforme, nella malattia di Parkinson e nella sclerosi laterale amiotrofica le fibrille si accumulano nel cervello e nel diabete di tipo II le fibrille di accumula nelle cellule β del pancreas).

Le malattie neurodegenerative più frequenti

Le malattie neurodegenerative più frequenti sono rappresentate da:

• Malattia di Alzheimer (Alzheimer Disease) che presenta una prevalenza di circa 1.500 casi per 100.000 abitanti e che è dovuta all’aggregazione della proteina β-amiloide e della proteina τ.
• Malattia di Parkinson (PD, Parkinson Disease) e demenza con corpi di Lewy (LBD, Lewy Body Dementia) che presentano una prevalenza di circa 300 casi per 100.000 abitanti e che sono dovute all’aggregazione dell’α-sinucleina.
• Demenza frontotemporale (FTD, Fronto-Temporal Dementia) che presenta una prevalenza di 15-20 casi per 100.000 abitanti e che è dovuta all’aggregazione della proteina τ o della proteina TDP43/FUS.
• Paralisi sopranucleare progressiva (PSP, Progressive Supranuclear Paralysis) e degenerazione corticobasale (CBD, CorticoBasal Degeneration) che presentano una prevalenza di 5-7 casi per 100.000 abitanti e che sono dovute all’aggregazione della proteina τ.
• Sclerosi laterale amiotrofica (SLA) che presenta una prevalenza di 2-8 casi per 100.000 abitanti e che è dovuta all’aggregazione della proteina TDP43/FUS.
• Malattie da prioni come la malattia di Creutzfeldt-Jacob (CJD, Creutzfeldt-Jacob Disease) che presenta una prevalenza di circa 0.3 casi per 100.000 abitanti e che è dovuta all’aggregazione della proteina prionica PrP^Sc.

Recentemente, si è evoluta una nuova terminologia che permette di classificare le malattie neurodegenerative in funzione della proteina accumulata, quindi è possibile riconoscere:

• β-amiloidosi con taupatia secondaria invariabile in cui si verifica un iniziale accumulo di proteina β-amiloide a livello extracellulare e nelle pareti dei piccoli vasi seguita da un accumulo di proteina τ a livello citoplasmatico o gliale.
• Sinucleinopatie in cui si verifica un accumulo di α-sinucleina a livello citoplasmatico (nell’atrofia multisistemica l’accumulo di α-sinucleina si registra negli oligodendrociti).
• TDP43patie in cui si verifica un accumulo di TDP43/FUS a livello citoplasmatico e intranucleare.
• Taupatie primitive in cui si verifica un accumulo di proteina τ a livello citoplasmatico e gliale.
• Malattie da prioni con taupatia secondaria di grado variabile in cui si verifica l’accumulo di proteina prionica patologica a livello della membrana cellulare o a livello extracellulare (la diversa localizzazione correla con il fenotipo della malattia).

Le malattie neurodegenerative sono caratterizzate da una degenerazione che colpisce preferenzialmente alcuni sistemi neuronali specifici (come ad esempio la neocorteccia, l’area nigro-striatale, i motoneuroni) secondo il concetto della vulnerabilità selettiva/preferenziale, da un’apparente diffusione temporale legata alla specifica proteina accumulata dovuta probabilmente ad alcuni meccanismi di diffusione molecolare trans-cellulare che permette di effettuare una stadiazione della malattia sulla base della topografia delle lesioni (questa caratteristica non è valida per la malattia da prioni poiché ha un decorso molto rapido che è spesso confuso con un’encefalite), da una variabilità nella velocità di progressione della patologia (che può essere molto rapida con sopravvivenza di mesi come nella malattia da prioni oppure lenta come nella malattia di Alzheimer), da una variabilità nel grado di danno e di disfunzione neuronale causati dall’accumulo proteico e dalla presenza di un gap temporale tra l’inizio della malattia e l’inizio della sintomatologia clinica in quanto è spesso necessaria una significativa morte cellulare dei neuroni per indurre la comparsa della sintomatologia.

N.B. La ricerca futura in ambito neurodegenerativo si concentrerà sull’identificazione di marcatori precoci di malattia.

Le malattie da prioni

Introduzione alle malattie da prioni

Le malattie da prioni erano considerate delle malattie infettive causate da un virus non convenzionale che poteva essere trasmesso velocemente attraverso varie fonti di contaminazione sia nell’uomo che negli animali (alimentazione, trasfusioni di sangue, iniezioni cerebrali); successivamente, è stato sperimentalmente dimostrato che queste malattie sono trasmissibili ma che non hanno un’eziologia infettiva e da questo concetto deriva l’idea secondo cui anche le altre patologie neurodegenerative possano presentare una trasmissibilità trans-cellulare con un tempo di incubazione lunghissimo anche se sono presenti evidenze di trasmissibilità uomo-uomo solo per la malattia da prioni.

Gli studi condotti sui pazienti affetti da queste particolari forme di patologie hanno permesso di mettere in evidenza la presenza di una proteina, successivamente chiamata prione (deriva da "proteinacious infectios particle"), che possiede una forma correttamente foldata nota come PrP (cellulare) ed una forma con folding alterato caratterizzata da un eccesso di catene β e nota come PrP (Scrapie). La modalità di infezione messa in atto dalla proteina prionica è conosciuta come "seeded protein aggregation" e prevede che una proteina con folding alterato in contatto con una proteina con folding normale sia capace di contribuire alla sua degenerazione patologica con un meccanismo a domino dovuto all’interazione intracellulare della proteina alterata che è endocitata dall’ambiente extracellulare; per le altre malattie neurodegenerative si parla di una propagazione "prion-like" in quanto il meccanismo di propagazione è valido a livello trans-cellulare ma non è evidente fra soggetti diversi e prevede che una cellula donatrice rilasci la proteina patogena caratterizzata da un folding alterato nello spazio extracellulare mediante un meccanismo di esocitosi o di morte cellulare e che essa sia internalizzata da una cellula ricevente attraverso un meccanismo di traslocazione passiva o di endocitosi dove causa un accumulo di proteina endogena ed un’induzione al misfolding agendo come seme di aggregazione. Tale teoria è supportata in vivo da alcune evidenze sperimentali, ad esempio l’analisi di centinaia di cervelli umani prelevati post mortem da pazienti affetti dalla malattia di Alzheimer, da malattia di Parkinson e da demenza con corpi di Lewy ha rilevato la presenza di placche di proteina β-amiloide e di grovigli neurofibrillari di proteina τ e di α-sinucleina con una caratteristica progressione temporale (oggi, è possibile monitorare la posizione di questi accumuli proteici utilizzando degli specifici traccianti in tomografia ad emissione di positroni o PET); inoltre, un’altra evidenza della trasmissione "prion-like" nelle malattie neurodegenerative è stata messa in luce con i trapianti di cellule dopaminergiche fetali in pazienti affetti da malattia di Parkinson in stadio avanzato, infatti l’analisi del tessuto cerebrale post mortem ha dimostrato la presenza di aggregati proteici anche nelle cellule trapiantate. Questa teoria è stata confermata anche dallo studio di alcuni giovani soggetti a cui era stato somministrato l’ormone della crescita estratto da cadaveri e che avevano sviluppato una forma di malattia di Creutzfeldt-Jacob iatrogena in cui è stato rilevato un numero maggiore di lesioni tipiche dell’Alzheimer rispetto ai soggetti di controllo della stessa età morti per altre cause dovuto alla co-somministrazione accidentale di accumuli ipofisari di proteina β-amiloide; infine, esistono alcuni modelli animali di neurodegenerazione che sono stati creati grazie all’inoculazione di aggregati sintetici di proteina patogena e che hanno confermato la presenza di una trasmissione trans-cellulare.

Encefalopatie spongiformi trasmissibili

Le malattie da prioni sono definite anche encefalopatie spongiformi trasmissibili (TSE, Transmissible Spongiform Encephalopathies) e, nonostante la loro rarità, presentano un ampio spettro di manifestazioni che si estendono da una forma classica a forme a evoluzione rapida fino a forme che assomigliano alla malattia di Alzheimer e a forme sistemiche. Queste patologie presentano delle caratteristiche che le accomunano a tutte le malattie neurodegenerative (infatti sono utilizzate come loro prototipo) in quanto mostrano una deposizione di proteine anormali in aggregati fibrillari che conducono alla neurodegenerazione con perdita di neuroni e con gliosi e delle caratteristiche che le accomunano con le patologie infettive in quanto sono naturalmente trasmissibili, possono infettare numerose specie di mammiferi (fra cui gli ovini, i bovini, i cervi e l’uomo) e presentano una grande eterogeneità biologica e fenotipica che può essere trasmessa all’ospite ricevente; inoltre, come caratteristica unica delle malattie da prioni, è necessario annoverare la coesistenza di forme genetiche ereditarie e di forme acquisite.

Principali malattie da prioni nella specie umana

Le principali malattie da prioni nella specie umana sono:

• Malattia di Creutzfeldt-Jakob (CJD, Creutzfeldt-Jakob Disease) rappresenta la forma classica, più frequente e più eterogenea delle malattie da prioni in quanto presenta 5 diverse varianti fenotipiche e può avere un’eziologia sporadica, genetica o acquisita.
• Nuova variante della malattia di Creutzfeldt-Jakob (vCJD, variant Creutzfeldt-Jakob Disease) è la forma acquisita dai bovini o mediante delle trasfusioni di sangue infetto che presenta una singola variante ed è rara e quasi scomparsa.
• Insonnia Fatale è una forma rara a singola variante che può essere presente in forma sporadica (sFI, sporadic Fatal Insomnia) o in forma genetica (FFI, Fatal Familial Insomnia).
• Malattia di Gerstmann-Sträussler-Scheinker (GSS) è una forma eterogenea a eziologia genetica e rara (rappresenta un punto di contatto fra le malattie da prioni e la malattia di Alzheimer ed è stato difficile dimostrarne la trasmissibilità).
• Variable Protease-Sensitive Prionopathy (VPSPr) è una variante rara sporadica di recente caratterizzazione.